【毕业设计论文】ZY32001535液压支架设计-ZY32001535液压支架设计说明书【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计说明书 ZY32001535 液压支架设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 摘要 本课题主要论述了液压支架的主要设计过程。其中包括：液压支架的 选型、总体设计、主要零部件的设计、校核以及液压系统设计。 支架的形式为掩护式支架。支架除了要有效的对顶板进行有效支撑， 还要实现升、降、推移四个步骤。支架采用四连杆机构，改善支架的受力 状况，缩小支架的升降过程中顶梁前端前后移动的距离。立柱采用单伸缩 液压缸，前端带有加长杆，以满足支架最低及最高位置时的高度要求。顶 梁掩护梁、底座都做成箱体结构用钢板焊接而成。 在研制液压支架时，需要对支架进行生产试验和分析研究，确定合理 的液压支架受力参数、运动参数和结构参数，以及选定液压支架最佳方案 等方面综合性的科学技术问题。本设计主要从支架的工作原理这手，然后 进行总体结构设计以及校核。 关键词：液压支架；顶梁；底座；立柱；结构设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 ABSTRACT The article mianly elaborate the hydraulic support design for top- caving. includes: the selection of hydraulic pressure support form, system design, main spar part design and examination of hydraulic system design The support eliminates must realize effectively carries on the strut to the roof, but also must realize ,to fall, to push, move four steps .the support uses four link motion gears, improves the support the stress condition, reduces the support to rise and full the distance which in the process fort end the top- beam around moves. The column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, satisfies the support to be lowest and 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 time the highest position high request. The top- beam, shields Liang, the foundation all makes the packed in a box body structure, becomes with the steel plate welding. At research to presses the support, need to carry on produce to experiment and analyze the research, make sure reasonable of liquid presses the support to be subjected to the dint parameter, the sport parameter and the structure parameters, and make selection the liquid to press the synthetic science technique problem of aspect of etc. of the best project of support. This design mainly this hand from the work principle of the support, then carry on the total structure design and school pits. Keyword: Hydraulic pressure support； Top beam； Cradle； the column- type support；structure design 目 录 摘要I 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 ABSTRACT III 1 绪 论1 1 . 1 国内外液压支架的研究现状及发展1 1 . 2 本课题的研究目的和意义3 2 液压支架基本理论分析5 2 . 1 液压支架的工作原理5 2 . 2 液压支架的类型和结构8 2 . 3 对液压支架的基本要求9 2 . 4 支架的选型设计1 0 3 液压支架的整体结构设计 1 4 3 . 1 支架高度、中心距的确定1 4 3 . 2 底座长度的确定1 5 3 . 3 四连杆机构的设计1 6 3 . 4 顶梁长度计算2 2 4支架主要部件的设计2 4 4 . 1 支架主要部件的设计要求2 4 4 . 2 顶梁的设计2 5 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 4 . 3 底座的设计2 6 4 . 4 支架技术参数和立柱的设计2 6 4 . 5 力柱柱窝位置和受力计算3 3 4 . 6 千斤顶技术参数的确定3 5 5支架受力分析与计算4 1 5 . 1 支架工作状态4 1 5 . 2 受力计算4 2 5 . 3 顶梁载荷分布4 5 6液压支架的强度校核 4 7 6 . 1 强度条件4 7 6 . 2 主顶梁的校核4 7 6 . 3 掩护梁强度校核5 0 6 . 4 底座强度校核5 2 6 . 5 立柱强度校核5 6 7液压系统设计 6 4 7 . 1 液压支架的液压系统特点6 4 7 . 2 液压系统的设计方法6 5 7 . 3 千斤顶系统6 5 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 7 . 4 乳化液泵站系统6 9 8技术经济分析 7 5 9 结论76 参考文献 77 致谢78 附录79 大学学士学位论文 1 1 绪 论 1 .1 国内外液压支架的研究现状及发展 地下开采的煤产量主要是利用由液压支架配套的综采设备产出的。 综 采设备的研制和广泛的运用， 对煤炭工业革新技木装备不仅有着重大的作 用， 而且对采煤工艺各个环节技术水平的发展和提高， 是强有力的促进因 素。 加速现代化进程， 必须加速煤炭工业企业的建设、 改造和革新技术装 备的进程， 增加地下开采和露天开采的煤产量。 地下开采方法是最复杂和 闲难的方法， 但是， 这种方法在工业发达国家和以煤作为次能源的地区， 仍然普遍应用。 而且， 开采优质煤， 包括炼焦煤， 都是采用地下开采方法。 综合机械化采煤是煤炭工业的一次技术革命， 从根本上改变了煤炭工 业的面貌， 综合机械化采煤是 20 世纪人类科技发展的重要成果。 综合机 械化采煤技术在我国的研究试验、使用、发展，彻底改变了我国煤炭工业 的面貌，降低了工人的劳动强度，提高了产量、劳动生产率和企业效益， 满足了国民经济建设对煤炭的需求， 合理的集中生产简化了生产系统， 提 高了生产安全性。我国综采技术发展的 30 多年，使我国的煤炭生产技术 水平跨进了世界先进行列，综放技术跃居世界领先地位。 工作面支护问题始终是困扰煤矿生产安全、产量和效率的重要问题。 以液压支架为主要设备的综合机械化采煤(以下简称综采)的诞生和发展 是煤矿生产发展史上的一次重大革命。 不仅从根本上改善了劳动和安全条 件， 也为工作面产量和效率的迅速提高奠定了基础。 但是综采设备初期投 资高，特别是液压支架占综采设备总投资约 60%，因此液压支架的合理 选用特显重要。 大学学士学位论文 2 30 多年来在液压支架技术不断发展中，形成了以煤科总院专业研究 所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机 CAD 进行各种类型支架的设计， 用有限元计算软件等进行计算， 并普及计算机 绘图。 我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其它研究成果为支架设计、 选 型和使用提供了有力的指导依据。制造方面形成以原部属专业制造厂为 主、 机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系， 以及以国家 煤矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关支架检测标准 11 项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支 架的庞大队伍;形成了研制液压支架的雄厚基础。 不仅能满足国内的需要， 还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架或成套综采设备。 为适应我国煤矿综采机械化的发展， 国内综采设备科研设计和制造企 业已研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、 重型刮板输 送机、 电液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机。 配套设备的 生产能力达到 15002 500 t/h， 在适宜的煤层和矿井条件下，综采工作面 可实现年产 300 万吨以上。 新型矿用单体支护设备， 采用悬浮式液压技术原理， 生产矿用单体支 护设备，技术水平达到了国际领先水平，填补了国际空白。DWX 型液压 支柱的柱塞悬浮，密封胀紧，密封补偿，无内泄漏、无圆弧焊缝等技术和 安全特点，具有独创性。新型矿用单体支护设备的诞生，消除了五十年来 国内外单体支护设备一直存在的内泄漏和圆弧焊缝脆断等安全隐患问题。 解决了深部煤矿开采冲击地压条件下回采工作面顶板支护的关键技术， 结 束了由德国人发明的第二代单体支护设备的历史， 开创了中国人发明的第 三代单体支护技术设备的历史， 并将会长期使用下去。 该产品普遍适用于 煤矿回采工作面的顶板支护和端头支护， 可广泛应用于薄煤层、 中厚煤层 及较厚煤层工作面，是煤矿的重要支护设备。 大学学士学位论文 3 近 10 年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱掩护式架型发展， 架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距发 展。液压支架另一重大突破是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁控 制的先导阀， 先进可靠的压力和位移传感器， 灵活自由编程的微处理机技 术，红外线遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行， 移架速度大大提高，支架循环时间达到 68s。 我国自 1973 年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历 了消化、吸收和改进提高的过程，到目前已形成了较完整的设计、制造和 科研体系，掩护式液压支架的制造和采煤技术已有长远发展。 1.2 本课题的研究目的和意义 采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、 提高经济效益的必 由之路。 为了满足对煤炭增长的日益需要， 必须大量生产综合机械化采煤 设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。由于采煤工作面的底顶板条件、 煤层厚度、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为 了有效的支护和控制顶板， 必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支 架。因此液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因 此其设计工作量也是很大的， 由此可见， 研制和开发新型液压支架是必不 可少的一个环节。 通过对液压支架的理论学习， 完成液压支架的设计工作， 加深对液压 支架工作原理、工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。通过对液压 支架结构的分析， 加深和巩固机械原理的相关内容； 通过对液压支架受力 的分析和强度的校核， 加深对专业基础课理论力学和材料力学及专业课机 械设计相关内容的巩固和理解。 同样通过对液压支架的设计， 能够更好的 认识国内外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问 大学学士学位论文 4 题，从而为以后更深认的了解和设计液压支架打下良好的基础。 通过自己独立地完成指定的课程设计任务， 提高理论联系实际、 分析 问题和解决问题的能力， 学会查阅参考书和工具书的方法， 提高编写技术 文件的能力， 进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练， 为毕业后成 为一名出色的机械工程师打好基础。 现代社会对人才提出了更高的要求，作为一名当代大学毕业生，不 仅打好坚实的专业知识，还应具备工程技术人才应有的综合素质。为了 适应这一发展趋势，我们应立足变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为 培养主动学习、提高创新能力、树立团结协作精神、强化计算机运用等 多维兼容性毕业设计;同时通过完成毕业设计，锻炼学生解决实际工程问 题的能力；在整个毕业设计的过程中，以我们的主动学习为主，教师适 时指导为辅；将素质教育也毕业设计教学相融合，从根本上提高毕业设 计的质量和水平 。 大学学士学位论文 5 2 液压支架基本理论分析 2.1 液压支架的工作原理 液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全 工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支 架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高 压液体，通过工作面性质不同的几个液压缸来完成的，如图 2.1 所示。 图 2.1 液压支架工作原理 1顶梁；2立柱；3推移千斤顶；4安全阀；5单向筏； 6、7操纵阀； 2.1.1 支架升降 当操作阀处于升柱位置时， 从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液 控单向阀 5 进入立柱 2 的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。 当操纵阀处于降柱位置时， 工作液体进入立柱的上腔， 同时打开液控单向 阀，立柱下腔回液，支架下降。 2.1.2 支架推移 支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶 3 来进行的。 移 架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀置于移架位置，从乳化液泵站来的 大学学士学位论文 6 高压液体进入推移千斤顶的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时， 支架以输送机为支点前移。 移架结束后， 再把支架升起， 使支架撑紧顶板。 若将操纵阀置于推溜位置， 高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔， 前腔 即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。 2.1.3 支架承载过程 支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程， 它包括初 撑、承载增阻和恒阻三个阶段。 (1) 初撑阶段 在升架过程中， 当支架的顶梁接触顶板， 直到立柱下腔的液体压力逐 渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀 6 立即关闭，这一过程 为支架的初撑阶段。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。 (2) 承载增阻阶段 支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高， 支架对顶板的支撑力也随之增大， 呈现增阻状态， 这一过程为支架的承载 增阻阶段。 (3) 恒阻阶段 随着顶板压力的进一步增加， 立柱下腔的液体压力越来越高， 当升高 到安全阀 5 的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降 低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安 全阀重复这一过程。 由于安全阀的作用， 支架的支撑力维持在某一恒定数 值上，这是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力成为工作阻力， 它是由支架安全阀的调定压力决定的。 对于掩护式和支撑掩护式支架， 其 初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。 大学学士学位论文 7 图 2.2 支架的工作特性曲线 由上可知，支架工作时，其支撑力与时间的关系，可用支架工作特性 曲线表示，如图 所示，曲线上的 0 t 、 1 t、 3 t 分别表示支架的初撑、增阻、 和恒阻阶段的时间。 上述工作过程表明： 支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性， 以保 证支架对顶板有效的支撑作用； 当支架达到额定工作阻力以后， 支架能随 顶板的下沉而下缩， 即具有可缩性和恒阻性， 支架的工作特性决定于立柱、 液控单向阀、 安全阀和操纵阀的性能和密封的好坏。 所以这些元件是支架 的关键液压元件 通常液控单向阀和安全阀组合在一起， 称为控制阀。 支架的工作阻力 是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶 梁长短和间距大小不同， 所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。 因 此， 通常单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小， 即支护强度来 表示支架的支护性能。即 F P q = 3 10 MPa (式 2.1) 式中 F支架的支护面积， 2 m 大学学士学位论文 8 2.2 液压支架的类型和结构 液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同， 分为支撑式、 掩 护式和支撑掩护式三种基本架型。 2.2.1 支撑式支架 支撑式支架是出现最早的一种架型， 按其结构和动作方式的不同， 支 撑式支架又分为垛式支架和节式支架两种结构型式。 垛式支架每架为一整 体，与输送机联接并互为支点整体前移。节式支架由 23 个框节组成， 移架时， 各节之间互为支点交替前移， 输送机用与支架相连的推移千斤顶 推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。 支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在 4m左右；而且立 柱多，一般 46 根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以 平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。 支撑式支架的支护性能 是：支撑力大，且作用点在支架后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的 次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差； 护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的工作空间和通风断面大。 由上可知， 支撑式支架适用于直接顶稳定、 老顶有明显或强烈周期来 压，且水平力小的条件。 2.2.2 掩护式支架 掩护式支架的结构特点是： 有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石 进入作业空间， 其掩护梁的上端与顶梁铰接， 下端通过前后连杆与底座连 接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承 受水平推力。 立柱的支撑力间接作用于顶梁或直接作用于顶梁上。 掩护式 支架的立柱较少， 除少数掩护式支架 1 根立柱外， 一般都是一排 2 根立柱。 这种支架的立柱都为倾斜布置， 以增加支架的调高范围， 支架的两侧有活 动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为 3.0mm左右。 大学学士学位论文 9 掩护式支架的支护性能是： 支撑力较小， 切顶性能差， 但由于顶梁短， 支撑力集中在靠近煤壁的顶板上， 所以支护强度较大、 且均匀， 掩护性好， 能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于 顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。 由上可知， 掩护式支架适用于顶板不稳定和中等稳定、 老顶周期来压 不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。 2.2.3 支撑掩护式支架 支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上 发展起来的一种支架。 因此， 它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性 能，可适用于各种顶底板条件。 支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主梁构成， 四根立柱支撑在顶梁和立 柱之间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。这种支架的 优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好， 应用范围广。它的主要缺点是：结构复杂，成本较高。 支撑掩护式支架的立柱均为两排， 立柱可前倾和后倾。 也可倒八字形 布置和交叉布置。通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别情况下，也 有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。 2.2.4 特种液压支架 特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架， 在结构 型式仍属于上述某种基本架型。 2.3 对液压支架的基本要求 1. 为了满足采煤工艺及地质条件的要求， 液压支架要有足够的初撑力和 工作阻力，以便有效地控制顶板，保证合理的下沉量。 2. 液压支架要有足够的推溜力和移架力。 推溜力一般为 100kN左右； 移 大学学士学位论文 10 架力按煤层厚度而定， 薄煤层一般为 100kN150kN， 中厚煤层一般为 150kN 250kN，厚煤层一般为 250kN 400kN。 3. 防矸性能要好。 4. 排矸性能要好。 5. 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面， 从而保证人员呼 吸、稀释有毒气体等安全方面的要求。 6. 为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。 7. 调高范围要大，照明和通讯方便。 8. 支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定植。 9. 要求支架有足够的刚度，能够承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。 10. 在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。 11. 要易于拆卸，结构要简单。 12. 液压元件要可靠。 2.4 支架的选型设计 2.4.1 设计的原始条件 煤层厚度：H1.83.2 米；顶设条件老顶 II 级、直接顶 II 级，底板 平整，无影响支架通过的断层。工作面配套设备：采煤机：MXA- 300/3.5， 刮板输送机：SGZ730/320。煤层倾斜角小于 15 度，支护强度、底板抗 压强度、泵站压力、安全阀调定压力 40MPa。 2.4.2 支架的支护性能与外载荷 由液压支架的工作状态知， 支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。 在 顶板下沉过程中， 支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象， 支架不仅受有垂 直于顶梁的力， 还受有平行于顶梁的摩擦力。 垂直于顶梁的力由支架的工 作阻力来平衡。在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板反作用力。 为了设计计算方便， 要对支架的外载荷和支架本身进行简化， 概述如 大学学士学位论文 11 下： 把支架简化成一个平面杆系结构。 为偏于安全， 在计算时把外载荷视 为集中载荷；金属结构件按直梁理论计算；顶梁、底座与顶底板被认为均 匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均布； 通过分析和计算可知， 掩护梁上矸石的作用力， 只能使支架实际支护阻力 降低所以，在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全；立柱和短柱按最 大工作阻力计算； 产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种， 是由于支 架让压回缩， 顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线， 顶梁与顶板间产生相对 位移，顶板给予顶梁水平摩擦力，另一种是由于顶柜向采空区方向移动， 使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数 W， 一般取 0.150.3；按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。 2.4.3 影响架型选择的因素 (1) 煤层厚度 煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力， 而且还影响到支架 的稳定性。当煤层厚度大于 2.52.8m（软煤取下限，硬煤取上限）时， 应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。 当煤层厚 度变化较大时，应选用调高范围大的支架。 (2) 煤层倾角 煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑象。当 煤层倾角大于 10 ? 15 ? 时，应设防滑和调架装置，当倾角超过 18?时，应 同时具有防滑防倒装置。 (3) 底板性质 底板承受支架的全部载荷， 对支架的底板影响较大， 底板的软硬和平 整性，基本上决定了支架底座的结构和支承面积。选型时，要验算底座对 底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压(对于砂岩底板，允许比压 大学学士学位论文 12 为 1.962.16MPa，软底板为 0.98MPa 左右)。 (4) 瓦斯涌出量 对于瓦斯涌出量大的工作面， 支架的通风断面应满足通风的要求， 选 型时要进行验算。 (5) 地质构造 地质构造十分复杂， 煤层厚度变化又较大， 顶板允许暴露面积和时间 分别在 58 2 m和 20min 以下时，暂不宜采用液压支架。 (6) 设备成本 在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。 2.4.4 支架架型的确定 从架型的结构特点来看， 由于架型的不同， 它的支撑力分布和作用也 不同；从顶板条件来看，由于直接顶类别和老顶级别的不同，支架所承受 的载荷也不同。 所以， 为了在使用中合理地选择架型， 要对支架的支撑力、 采煤高度与承载的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要 求。 根据煤层厚度 1.83.2 米，属于中厚煤层。支架的适应高度为 1.53.5 米煤质条件老顶 II 级、直接顶 II 级，底板平整，无影响支架通过的断层， 根据表 2.1 初步选定为掩护式两柱液压支架。 大学学士学位论文 13 表 2.1 支架架型的选择 注：括号内的数字是掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，可 根据本矿情况允许有5%的波动范围。 表中 1.3、1.6、2 分别为、级老顶的分级增压系数；级老顶给出 最低值 2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。 老顶级别 直接顶类别 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支撑式 采高小 于 2 . 5 m 时 支架类型 掩 护 式 掩 护 式 支 撑 式 掩 护 式 掩 护 或 支 撑 掩 护 式 支 撑 式 支 撑 掩 护 式 支 撑 掩 护 式 掩 护 或 支 撑 掩 护 式 掩 护 或 支 撑 掩 护 式 支撑掩 护式 采高大 于 2 . 5 m 时 1 0 . 2 9 4 1 . 30 . 2 9 4 1 . 60 . 2 9 4 20 . 2 4 9 2 0 . 3 4 3 （0 . 2 4 5 ） 1 . 30 . 3 4 3 （0 . 2 4 5 ） 1 . 60 . 3 4 3 20 . 3 4 3 3 0 . 4 4 1 （0 . 3 4 3 ） 1 . 30 . 4 4 1 （0 . 3 4 3 ） 1 . 60 . 4 4 1 20 . 4 4 1 支架 支护 强度 M P a 采 高 m 4 0 . 5 3 9 （0 . 4 4 1 ） 1 . 30 . 5 3 9 （0 . 4 4 1 ） 1 . 60 . 5 3 9 20 . 5 3 9 应结合 深孔爆 破， 软化 顶板等 措施处 理采空 区 大学学士学位论文 14 3 液压支架的整体结构设计 3.1 支架高度、中心距的确定 3.1.1 支架高度的确定 支架高度的确定原则， 应根据所采煤层的厚度， 采区范围内地质条件 的变化等因素来确定，其最大与最小高度为： 1 ShH mm + （式 3.1） + 2 ShH nn （式 3.2） hm煤层最大采高， hn煤层最小采高 S1伪顶冒落的最大厚度，一般取 0.20.3m 2 S 顶板最大下沉量，一般取 100200mm a 移架时支架的最小可缩量，一般取 50mm a矸、浮煤厚度，一般取 50mm 本设计采高 1.83.2m,取支架高度为 1.53.5m 3.1.2 支架伸缩比 支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为： n m H H m = （式 3.3） 代入数据得 m=2.33。 3.1.3 支架间距 所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算： 大学学士学位论文 15 3cm bBn C=+ （式 3.4） 式中： c b 支架间距（支架中心距）； m B 每架支架顶梁总长度； 3 C 相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙； n每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架。 支架间距 c b 要根据支架型式来确定，但由于每架支架的推移千斤顶 都与工作面输送机的一节溜槽相连， 因此目前主要根据输送机溜槽每节长 度及帮槽上千斤顶连结块的位置来确定， 我国刮板输送机溜槽每节长度为 1.5m,千斤顶连结块位置在溜槽中长的中间， 所以除节式和迈步式支架外， 支架间距一般为 1.5m。 本次设计取支架的中心距为 1.5m。 3.2 底座长度的确定 3.2.1 底座长度 底座是将板压力传递到底板和稳固支架的部件。 在设计支架的底座长 度时，应考虑如下诸方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足 够的空间用于安装立柱，液压控制控制装置、推移装置和其他辅助装置； 使于人员操作相行走，保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长 度职 3.5 倍的移架步距(一个移架步距为 0.6m)，即 2.1m 左右；支撑掩护 式支架的底座长度取 4 倍移架步距，即 2.4m左右。本次设计取底座长 2.18m。 3.2.2 底座宽度 支架底座宽度一般为 1.11.2m。为提高横向稳定性和减小对底板比 压，厚煤层支架可加大到 1.3m左右，放顶煤支架为 1.31.4m。底座中间 大学学士学位论文 16 安装推移装置的槽子宽度与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为 300380mm。宽度取 1350mm。 3.3 四连杆机构的设计 3.3.1 四连杆机构的作用与缺点 1梁端护顶 鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动，故可选 定双纽线的近似直线部分作为托梁铰接点适应采高的变化范围。这样可使 托梁铰接点运动时与煤壁接近于保持等距，当梁端距处于允许值范围之内 时，借此可以保证梁端顶板维护良好。 2挡矸 鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件，又是承载件，为 了承受采空区内破碎岩石所赋予的载荷，掩护梁一般做成整体箱形结构， 具有一定强度。由于它处在隔离采空区的位置，故可以起到良好的挡矸作 用。 3抵抗水平力 观测表明：综采面给予支架的外载，不但有垂直于煤 层顶板的分力，而且还有沿岩层层面指向采空区方向（或指向煤壁方向） 的分力，这个水平推力由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因 承受水平分力而造成立柱弯曲变形。 4提高支架稳定性 鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较大的 整体，在支架承载阶段，其稳定程度较高。 四连杆机构在具有以上诸作用的同时，也有一些缺点。首先，支架在 工作过程当中， 四连杆机构必须承受很大的内力， 从而导致支架结构尺寸 的加大和重量的增加；其次，由于四连杆机构对顶板产生一个水平力（又 称水平支撑力），因此对支架的工作性能将产生不良影响。 3.3.2 四连杆几何特征 （1）支架在最高位置时， 1 P=5262，即：0.911.08弧度； 大学学士学位论文 17 1 Q =7585即1.311.48弧度；支架在最低位置时，保证P 1 25。 （2）后1连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I =0.450.61;支撑掩护式 为I = 0.610.82。 （3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为I = 1 0.220.3。 （4） e点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的 最大宽度70e 3 Lg 时，载荷呈梯形分布，如图 5.5 所示。 顶梁前端比压为： 3 2 1 2 10 )26( = m BLg LgxF q MPa （式 5.9） 顶梁后端比压为： 3 2 1 3 10 )64( = m BLg xLgF q Mpa （式 5.10） 由于 x=0.77 小于 3 Lg 所以载荷分布为三角形。 将 1 F=3242 kN， m B =1.4m，x=0.77m代入公式(5.10)得顶梁后端比压 3 q 为： 1 . 210 77. 04 . 13 32422 3 3 = = qMPa 大学学士学位论文 47 6 液压支架的强度校核 6.1 强度条件 在液压支架的研制、试验过程中，各构件的强度汁算是极为必要的。 前面数章的内容已经给出了支架主要零件部件受力分析和负荷的计算方 法。但是由于液压支架的结构特点、外载荷特点以及使用条件的特殊性， 在强度计算中的强度条件也有其特殊性。 当然强度条件要以现阶段液压支 架所选用的材料、制造工艺以及大致形式等为依据，随着时间的推移，如 果上述诸点有变， 强度条件也必须作相应调整。 强度校核均以材料的屈服 极限为计算安全系数如表 6.1 所示。 表 6 . 1 支架安全系数 安全系数 前梁 底座 顶梁 掩护梁 前连杆 n 1 . 1 1 . 1 1 . 1 1 . 3 1 . 3 安全系数 后连杆 主要轴 缸体 焊缝 活塞杆 n 1 . 3 1 . 3 3 . 3 4 3 . 3 4 1 . 4 6.2 主顶梁的校核 6.2.1 主顶梁的弯距计算 假设前梁失去作用，主顶梁受一集中载荷，其受力如图 6 . 1 （a ）所 示： 由上面求出 F 为 3 2 4 2 k N ，距离铰接点 7 7 0 m m 。 做主顶梁的受力及力矩图 6 . 1 所示： 大学学士学位论文 48 图 6 . 1 （a ）顶梁受力图 图 6 . 1 （b ）顶梁弯矩图 由图可知： = max M3200 sin15 0.26+3200 cos15 0.03=308.07N/m 主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图 6.2 所示： 图 6.2 最大弯矩断面图 6.2.2 主顶梁的强度计算 ( 1) 形心位置 各板件计算数据如表 6.2 所示： 大学学士学位论文 49 表 6.2 各板件计算数据 件号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 数量 1 2 2 4 2 2 2 2 1 n F 2 cm 1 3 9 . 2 7 3 . 6 2 7 . 8 5 2 . 2 2 6 . 8 4 0 . 3 2 3 5 . 2 2 6 . 2 5 6 n y 0 . 8 2 . 4 1 5 . 8 1 5 . 8 1 5 2 9 . 2 2 9 . 2 2 9 . 2 1 9 . 1 n J 4 cm 2 9 . 7 1 5 . 7 2 1 3 3 . 7 4 8 1 2 . 2 1 1 0 7 . 4 8 . 6 5 . 6 5 . 6 4 9 6 8 结构件的形心位置为： n nn c F yF y = )( =8 .152 .5248 .158 .2724 . 26 .7328 .02 .139+ 1 .19562922 .3522 .2932.4022 .2932.402158 .262+ 8 .2726 .7329 .13+ 562 .2622 .35232.4028 .2622 .524+=14.23cm ( 2) 惯性矩 )( 2 cnnn yyFJJ+= 6 . 73 7 . 15 2)23.148 . 0( 2 . 139 7 . 29 2 + )23.144 . 2( 2 8 . 15( 6 . 754812 4)23.14 8 . 15( 3 .40 7 . 2133 2 2 + )23.14 2 +)23.114 2 . 29( 2 . 355 . 7 2)23.1429(32.406 . 8 2 22 + )23.14 1 . 19( 2 . 264968 2 +=125318.6 4 cm （3） 弯曲应力 98.6246 6 . 125318 23.1435(1092.376)18( 5 max max = = = ） z c J yM kN/ 2 cm 6.2.3 安全系数 大学学士学位论文 50 钢板材料选取 16Mn，s =34335 kN/ 2 cm 5 . 5 98.6246 34335 max nn s = 满足强度要求。 6.3 掩护梁强度校核 6.3.1 掩护梁受力情况 掩护梁的受力分析如图 6.3 所示处理后的力学模型由受力图可以看 出掩护梁的危险截面在前连杆与掩护梁铰接处， 故需校核此危险截面的弯 曲强度。 此处截面的弯曲强度为： 5 . 14343 . 0 sin588sin 6max =GFM 2 mkN 图 6.3 掩护梁受力分析图 主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图 6.4 所示： 大学学士学位论文 51 图 6.4 最大弯矩断面图 6.3.2 掩护梁强度计算 (1)形心位置 各板件计算数据如表 6.3 所示： 表 6.3 掩护梁板件数据 件号 1 2 3 4 5 6 7 数量 1 2 4 2 1 2 2 面积 cm2 151.2 90.88 79.6 68.8 21.5 40 40 形心位 置 cm 0.6 8.2 14.6 15.3 15.3 28.6 27.6 结构件的形心位置为： F y F y n n n c = )( 代入数据得：= c y13.3cm （2）惯性矩 2 )( yy FJ cn nn J+= 12 3 ab Jn= 4 cm 将数据代入公式，算得总惯性矩为： 3 .81813 .93657 .21829 .36297 .19012 .855442 .24405+= nZ JJ 大学学士学位论文 52 =58210.3 4 cm （3）弯曲应力 4 . 5990 3 . 58210 ) 3 . 13 6 . 37(10 5 . 143) 6 . 37( 5 max max = = = z c J yM kN/ 2 cm 6.3.3 安全系数 钢板材料选取 16Mn，s =34335 KN/ 2 cm 7 . 5 4 .5990 34335 max nn s = 满足强度要求。 6.4 底座强度校核 6.4.1 底座受力情况 底座通过立柱， 前后连杆支撑支架的顶梁及掩护梁， 是支架的主要承 压部件，主要对其压力强度进行校核，基本不受弯矩影响。 底座的受力分析见图 6.5 示。 (a)底座受力图 大学学士学位论文 53 (b)底座弯矩图 图 6.5 底座受力情况 图中立柱的压力以及前后连杆的拉力或压力在前面已经算出，由 0=M得 0cossinsinsincos 321 =+ DDDCCCCCBBBBBA PHpHplPHpllR 由上式求得前端的支反力为 1）最高位置时的情况： )cossinsinsincos( 1 32 1 DDDCCCCCbBBbBA PHPHPlPHpl l R+= = ooo 55sin3997. 015sin320021. 015cos320019. 1 ( 18. 2 1 + oo 78cos5884 . 055sin39604. 0 =1590.42mkN BBBAB PHLLRMsin)( 21 +=1748.45mkN CCCBBBbBA PHPHllPllRM C cossincos)()( 3231 += = oo 55cos39604 . 0 93.17315cos)97 . 0 19. 1 (320021 . 1 42.1590+ =1404.82mkN 9 . 4878cos5884 . 0cos= o DDDD PHMmkN 大学学士学位论文 54 在最低位置时的情况： ooo A R13sin3997. 028sin320021. 028cos320019. 1 ( 18. 2 1 += oo 18cos5884 . 013sin39604. 0=1296.46mkN 48.31599. 01296+= B M98.1598=mkN oo C M13cos39604. 048.31528cos22. 0320021. 146.1296+= 65.1239=mkN 7 .223cos= DDDD PHMmkN 表 6 . 4 相应位置对应的弯矩 弯矩 位置 Mb K N m Mc K N m 最高位置 1 7 4 8 . 5 1 4 0 4 . 8 最低位置 1 5 9 9 1 2 3 9 . 7 由表 6.4 中可知，最大弯矩发生在立柱的柱窝处。但是柱窝处专门焊 接了柱窝，断面加强。危险断面在离柱窝中心 250mm 处，如图 6.6 所示。 该处弯矩为 98.182842.159015. 115. 1= A RMmkN 图 6 . 6 柱窝结构示意图 最大弯矩处截面如图 大学学士学位论文 55 图 6 . 7 底座最大弯矩箱体结构图 材料数据 表 6 . 5 材料数据 件号 厚度 钢号 s 2 cm N 1 钢板 40 16Mn 34335 2